（控制理论与控制工程专业论文）异步电动机节能控制器的研究.pdf

摘要 异步电动机因其结构简单、运行可靠、维修方便、价格便宜等优点而广泛应 用于各行各业。众所周知电机直接起动有着诸多的弊端；电机轻载运行时，功率 损耗增大，效率和功率因数都将大大降低。因此对异步电动机实施有效的控制， 保证电机的节能运行，避免电机对电网造成冲击，使之安全经济运行具有十分重 要的意义。 本文首先进行了异步电动机的功耗分析，通过电路分析和数学推导建立了异 步电动机的数学模型及等效电路。对于恒转矩和变转矩两种不同性质的负载，分 别讨论了损耗与定子端电压的关系，论证了两种不同负载情况下降压节能的依据。 在分析电机功率因数角的变化规律及功率因数角对晶闸管输出电压的影响的基础 上，提出了异步电动机在轻载或空载运行时通过检测功率因数并经过一定规则降 低定子端电压来达到提高功率因数目的的模糊控制方法，完成了异步电动机节能 运行控制系统的软硬件设计，并进行了系统的仿真研究与实验研究。仿真结果及 实验结果表明该节能控制器能完成软起动及轻载调压节能的功能。 文中还对异步电动机节能控制器的一些技术难点和关键问题提出了有效的解 决方法。本文研制了一种通过检测晶闸管的导通与关断，以及检测电网电压同步 信号，由8 7 c 1 9 6 k c 实现了异步电动机节能控制器的功率因数的检测，具有一定的 创新性。采用模糊智能控制方案有效的解决了传统的数学解析方法对电动机及负 载适应能力不强的问题，用最简洁的方式，最实用的方法，最廉价的成本，获得 最高效的节能功效。 关键词：异步电动机；功率因数检测；仿真设计；节能；模糊控制 i l a b s t r a c t b e c a u s eo fs u c ha d v a n t a g eo ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o ra ss i m p l es t r u c t u r e ，t h e r e l i a b l er u n n i n g ，t h ec o n v e n i e n ts e r v i c ea n dc h e a pp r i c e ，i ti sw i d e l ya p p l i e di n a l l t r a d e sa n do c c u p a t i o n s i ti sw e l lk n o w nt h a tm o t o rw h i c hi sd i r e c t o ns t a r t i n gh a s m a n ym a l p r a c t i c e s w h e ne l e c t r i c a lm a c h i n e r yl i g h t l o a d i n gr u n n i n g ，t h ep o w e rl o s e i n c r e a s e s ，t h ee f f i c i e n c ya n dp o w e rf a c t o r sb o t hg r e a t l yr e d u c e t h e r e f o r ei th a s e x t r e m e l yv i t a ls i g n i f i c a n c et oi m p l e m e n te f f e c t i v ec o n t r o lo na s y n c h r o n o u sm o t o r ， g u a r a n t i n gt h es e c u r i t yo ft h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r y ，a v o i d i n gt h ee l e c t r i c a ln e t w o r k i m p a c t ，e n a b l i n gi te c o n o m yr u n n i n g t h i sp a p e rw a sp r e c i s e l yh a dc o n s i d e r e da b o v e s i t u a t i o n ，h a ss t u d i e das y s t e mb a s e do nt h e8 7 c 1 9 6 k cw h i c hh a v i n gt w ok i n do f c o n t r o lf u n c t i o n s - s o f ts t a r t s o f ts t o pa n dl i g h t - l o a d i n gc o n s e r v i n ge n e r g y a n dh a s c o n d u c t e dt h es i m u l a t i o nr e s e a r c h t h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dt h ed e s i g nm a y c o m p r e h e n s i v e l ys y n t h e s i z ec o n s i d e r e dt h ei n f l u e n c eo fe a c h k i n do ff a c t o ro n c o n s e r v i n ge n e r g yt h ec o n t r o lf i x t u r ea r c h e r yt a r g e t ，w h i c hh a st h ev i t a ls i g n i f i c a n c e t or e d u c et h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，r e d u c et h ed e v e l o p m e n te x p e n s ea n do p t i m i z et h e c o n t r o lp l a n t h i sa r t i c l eh a sf i r s tc a r r i e do nt h ep o w e rl o s sa n a l y s i so ft h ea s y n c h r o n o u s m o t o r ，h a se s t a b l i s h e dt h et h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o rm o d e la n de q u i v a l e n t c i r c u i t t h r o u g h t h ec i r c u i t a n a l y s i s a n dm a t h e m a t i c si n f e r e n t i a l r e a s o n i n g r e l a t i o n s h i po ft h e l o s sa n dt h es t a t o rt e r m i n a l v o l t a g eh a v e b e e nd i s c u s s e d s e p a r a t e l y ，w h e nt h el o a di sc o n s t a n ta n dv a r i a b l e t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，t h e a s y n c h r o n o u sm o t o rs o f ts t a r t i n gf r e q u e n c ya n dt h es t a r t i n gv o l t a g ev a l u eh a v eb e e n g e t t h ec h a n g er u l eo ft h et h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o rp o w e rf a c t o ra n g l eh a s b e e na n a l y z e d a n dt h ef u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb e e ns t u d i e dt h a tr e d u c et h e s t a t o rt e r m i n a lv o l t a g et oa c h i e v eh i g h e rp o w e rf a c t o rt h r o u g ht e s t i n gp o w e rf a c t o r a n du s i n gc e r t a i nr u l e s t h ea s y n c h r o n o u sm o t o ri n t e l l i g e n c eo p e r a t i n gc o n t r o l s y s t e mp l a nd e s i g n h a sb e e n c o m p l e t e d s i m u l a t i o nd e s i g na n ds i m u l a t i o n e x p e r i m e n to ft h es y s t e mh a sb e e nc a r r i e do n ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e dt h i s i n t e l l i g e n c ec o n t r o ls y s t e mh a sa c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e de f f e c t i nt h ea r t i c l ea l s op r o p o s e dt h ec e r t a i ns o l u t i o nf o rs o m et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e s a n dk e yq u e s t i o na b o u tt h ea s y n c h r o n o u sm o t o r i n t e l l i g e n c ec o n t r o l l e r t h i sa r t i c l e h a sd e v e l o p e dam e t h o dt ol e a dt h r o u g ht h ee x a m i n a t i o nc r y s t a lt h y r a t r o np a s s i n gw i t hs h u t t i n g o f f ，a sw e l la st h ee x a m i n a t i o ne l e c t r i c a ln e t w o r kv o l t a g es y n c h r o n i z e ds i g n a l ，r e a l i z e st h et h e i l l p o w e rf a c t o ro fa s y n c h r o n o u sm o t o rb y8 7 c 1 9 6 k ce x a m i n a t i o n ，h a v i n gc e r t a i ni n n o v a t i o n u s i n gt h ef u z z yi n t e l l i g e n tc o n t r o lp l a ne f f e c t i v es o l u t i o nt r a d i t i o nt h em a t h e m a t i c a la n a l y s i s m e t h o dt ot h ee l e c t r i cm o t o ra n dt h el o a da d a p t i v e n e s sn o ts t r o n gq u e s t i o n ，w i t ht h em o s t s u c c i n c tw a y ，t h em o s tp r a c t i c a lm e t h o d ，t h em o s ti n e x p e n s i v ec o s t ，o b t a i n e dt h em o s th i g h l y e f f e c t i v ee n e r g yc o n s e r v a t i o ne f f e c t k e y w o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r ；s o f ts t a r t ；p o w e rf a c t o re x a m i n a t i o n ； s i m u l a t i o nd e s i g n ；e n e r g yc o n s e r v a t i o n ；f u z z yc o n t r o l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：嗜职-日期：。6 年j 月r 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：p 年f 月，d 日 日期：d 6 年j 月f 0 日 硕士学位论文 1 1 背景 第1 章绪论 1 1 1 异步电动机节能控制的意义 随着我国工农业生产的迅速发展，电能的需求量越来越大，开发和节约能源 已成当务之急。作为一种重要的动力设备，异步电动机的用电量是非常大的。这 些异步电动机一般都是按照设计的负载进行选择的，但在实际使用中，大都经常 处在轻载，甚至在空载下运行。因此，“大马拉小车”的现象几乎是很普通的，如 煤矿常用的胶带输送机、刮板机、绞车、压风机、机床等设备在大部分运行时间 中，电动机的负荷变动都较大，其平均输出功率与最高输出功率之比一般为0 3 0 , 4 ，有的还更低。电动机的负载率低，效率不高，电能的浪费现象十分严重。1 9 9 6 年国家统计局统计数字表明，我国全国年发电量的6 0 为各种电机设备所消耗， 其中9 0 k w 以内的中小功率异步电动机耗能占总电机耗能的7 0 ，即消耗了4 2 0 0 亿 度电。按我国今年国家规定o 5 元k w h 的电价计算，其折合人民币2 1 0 亿元。如 果这些异步电动机能够节电1 0 ，就可节约2 1 亿元人民币。2 0 0 2 年国家电力部统 计数字表明，火力发电每k w h 需投资约1 元；三峡水电每k w h 需投资约1 1 3 元，建 设周期1 3 - 1 7 年；核电每k w h 需投资2 3 元；其他能源( 太阳能、风能、海洋能等) 每k w h 需投资3 - 5 元【”。若仅按中小功率异步电动机节电1 0 计算，其年节电量相 当于三峡电站的半年发电量，可节约国家投入电站建设资金5 0 亿元左右，为国家 节约大量能源和费用。 因此在目前我国工业生产不断发展，能源日趋紧张，环保要求日趋高涨的情 况下，提高电机运行效率可以极大缓解能源紧张状况，提高国民经济效益，具有 十分重要的现实意义。 1 1 2 异步电动机节能控制的基本方法 异步电动机运行时，一般有三种方式可以达到节能的目的【3 1 ：一是变频节能： 二是降低定子电压节能；三是优化电动机本体设计节能。本论文将重点研究电机 轻载时降低定子电压提高功率因数的电机节能方式。 调压节能的主回路一般都采用晶闸管调压电路由六只两两反并联的晶闸管组 成，串接于电动机的三相供电线路上【”，如图1 1 所示。用单片机控制晶闸管触发 角口的大小，调节交流电动机定子电压以减少电机的铁损及励磁电流，从而提高 功率因数及运行效率。 a 3 中 b c 图1 1 晶闸管调压圭电路 1 1 3 异步电动机调压节能控制方法 本论文主要从电机的软起动控制和轻载调压控制两方面着手，达到节能的目 的。 1 1 3 1 异步电动机的起动控制方式 异步电机是以反电势来平衡外电压的，反电势随着转子转速的增加而逐渐增 大，电动机在起动之初反电势为零，所以起动时冲击电流很大，约为额定电流的 5 7 倍【5 】。对于功率较大的异步电机起动时电流会达到几千安培，会对电网造成很 大的冲击，使电源电压下降，影响同一电网上的其它设备的起动和正常工作。基 于以上的原因，电动机一般不允许直接起动，必须对其起停加以控制i 酏。 可以实现异步电机软起动的方式主要有：离心连接方式、变频调速起动方式、 降压起动方式。 ( 1 ) 离心连接方式 。 包括液力耦合器，电磁转差离合器等多种形式。其基本原理是在电机和负载 之间加入中间级以起到缓冲作用，离心连接可用于调速，但调速范围不大，精 度低。这种起动方式可以防止起动时对负载设备的冲击，但不能防止起动过程 中冲击电流对电网的影响。 ( 2 ) 变频调速起动方式 变频调速系统除进行电机调速外，还可以实现平滑起动。在电机起动加速时， 逆变器输出频率做线性增长，随频率增大电压随之增高，可使电机起动时的电 流限制在1 5 ，左右。对于有调速要求的电力拖动系统，宜采用变频器调速方式。 但这种电机控制器的电路复杂，成本较高，当不需要精确调速时，不适合应用 这种起动方式。 ( 3 ) 降压起动方式 包括常规的降压起动和固态软起动器起动两种方法。常规的降压起动方式主 要有：定子电路中串入起动电抗、星一三角形起动、自耦变压器降压起动等。 这类起动控制可以达到减小起动时的机械及电器冲击的基本要求，但它们仅仅 是名义上的软起动控制器，因为它们将起动阶段分为两个或多个步骤，起动电 流由一级向相邻一级跳变时会产生跳跃冲击，且这类控制器均以接触器为主要 部件，虽然经过不断的设计改进，但还是存在不可消除的缺点，如体积大、机 械磨损、触头烧熔、工作噪声、工作时的射频干扰和机械震动，为此，起动设 备需要经常维修，实践表明，这类起动器的性能比电机本身还要差【7 1 1 8 】【9 】。 另外一种降压起动方式是用固态起动器起动。固态起动器是一种新型的无触 点起动器，通过半导体元件来控制。在三相电路的每一相有两个晶闸管反并联连 接，控制输出的触发脉冲即可调整晶闸管的输出电压。表i i 给出了几种不同起动 方式的比较。 表1 1 异步电机降压起动方式的比较 自耦变压定子串电阻 星一三角 固态 技术指标直接起动 器起动 起动形起动起动器 起动电流为直接 1 0 0 3 0 4 0 或6 0 5 8 一7 0 3 3 可设定 起动电流的倍数 起动转矩为直接 1 0 0 3 0 4 0 或6 0 3 3 4 9 3 3 可设定 起动转矩的倍数 起动级数14 ，3 或23 或22连续无级 接到电机的线数33363 起动电流与额 5 0 0 1 5 0 2 1 0 3 0 0 3 5 0 1 6 5 1 0 0 5 0 0 定电流倍数 i 1 3 2 异步电动机的调压节能控制方式 电动机的效率为输出机械功率与输入电功率之比。电动机的损耗是输入的电 功率与输出机械功率之差，小功率三相异步电机的损耗主要损耗是铜耗和铁耗损， 共占总损耗的大约8 0 。在电动机工作时的三种基本损耗中，定子、转子的铜耗 与其电流平方成正比，铁耗与其电压的平方成正比。 因此，如果在负载减轻的同时，相应降低电机的端电压，那么就可以减小铜 耗和铁耗，提高运行效率。 为了获得最佳的节能效果和最好的运行功率因数，人们对轻载调压节能技术 进行了仔细的研究，提出了很多优化的端电压控制策略，如：恒功率因数角控制 s 坳) 1 0 】、最小定子电流控制( m i n i ；) 1 1 】、最小功率因数角控制( m i n 妒) 【1 2 】和最小 定子输入功率控制( r a i n p 。, , ) 【”l 。它们在实施中取得了较好的节能效果。然而这些 研究也显示出某些不足，在实际应用中，由于缺乏系统的理论分析与完善的控制 策略，很难达到最佳的控制效果。 图1 2 示出了可控晶闸管供电时对应于恒功率因数角控制( c o n s t q 口) 、最小定子 电流控制( r a i n i ，) 、最小功率因数角控制( m i n 妒) 和最小定子输入功率控制( r a i n f 。, ) ， 的效率曲线( 分别为图1 2 中的曲线2 ，3 ，4 ，5 ) 。图1 2 0 0 的曲线l 为最佳效率曲 线叩。，。 零 o 口 图1 24 种效率曲线与最佳效率曲线的比较 图1 2 中的曲线2 是保持功率因数c o s q ，不变的效率曲线，在轻载特别是负载率 5 0 6 时，与最佳曲线的偏差较大；与图1 2 中的曲线3 是保持定子电流，。最小的 效率曲线，它与最佳曲线的偏差亦较大；曲线4 为保持功率因数角舻最小的效率曲 线，在各种负载下都被调节至动态最小点，该曲线极接近最佳曲线，但在重载区 迅速偏离最佳曲线。曲线5 为输入功率己最小时的效率曲线，虽然效率比理想情 况稍低一些，但在整个工作区上降低都较少。 综合上述分析可见，曲线2 4 都不能获得很好的节能效果，仅从节能的角度 考虑，以最小定子功率控制法( m i n p 。) 为最好，但由于采用r a i n 圪法必须准确测定 电动机定子电流及电压与电流的相位差，所以从控制器的性能价格比和节能效果 综合考虑，仍不采用此法。 另外，上述四种调压控制方式有一个共同的缺点严重依赖电动机的数学 模型，而目前所能找到的公式大多是经验公式和简化公式，即使能找到精确的数 学模型，由于电动机参数随着电动机型号、加工工艺及电动机老化等等因素而改 变，再精确的数学模型也并不准确了，所以采用传统的数学解析式方法进行调压 4 控制很难达到满意效果。因此，本文将采用模糊控制技术等人工智能控制技术寻 找解决问题的突破口，用最简洁的方式，最实用的方法，最廉价的成本，取得最 高效的节能功效。 1 2 异步电动机节能控制器的国内外研究现状和发展趋势 为了提高电机的工作效率，多年来世界各国从电机的设计制造、电机的选择 使用、电网供电管理等几个方面入手，作了大量研究工作，取得了较好的成果。 其中从电机的设计制造方面人手，开发出了高效节能电动机，使效率显著提高， 可大量节能。但这种电机造价较高，而且经济效果较大地取决于负载的情况，即 对于长期工作于额定负载、连续运行的应用场合，其节能效果能达到最佳。但对 大多数电机用户来说，怎样使现有设备上的电机工作于效率较高的状态显得更为 现实。 国外从六、七十年代就开始了中小型异步电动机的节能研究，1 9 7 5 年美国宇 航局工程师f r a n kn o l a 为减少航天飞机上泵和风扇能耗而研制的功率因数控制 器，通过后面第二章的分析可以得出：即在定子电压一定的情况下，只要负载率 小于额定负载率，交流异步电动机的功率因数基本是和它的负载率成一一对应的 关系。这种装置的工作原理是通过检测功率因数作为控制输入电压信号，并通过 该类装置控制定予端电压来调节输入功率，使其随负载的变化而变化。该类装置 空载时节电率为4 0 左右，总节电率大致为2 0 左右，功率因数有一定改善，但 并未超过o 5 。 利用晶闸管交流调压技术研制的软起动器是从7 0 年代开始应用的，以后美国 宇航局工程师诺瓦又把功率因数控制技术结合进去，以及采用微电脑代替模拟控 制电路，发展成现在的智能化电机节能控制器。 目前，世界上有许多公司都生产软起动器，例如：美国a l i e n b r a d l e y 公司在 9 0 年代初期推出了系列的智能控制器( s m c s m a r tm o t o rc o n t r o l l e r ) ；g e 公司生 产的软起动器最大功率为8 5 0 k w ，额定电压5 0 0 v ，额定电流1 1 8 k a ，最大起动电 流为5 9 k a ；在欧洲，德国的金钟默勒公司的s o f t p a c t 系列起动器在欧洲销售得较 好；意大利s i e i 公司生产的软起动器额定电压达到6 9 0 v ，额定电流达到1 6 k a 。 以上的电机控制器都有优良的性能。它们集软起动、节能、电机保护于一体， 并且有良好的用户界面，通过键盘和液晶显示器可以方便的设置系统参数和得到 控制器运行状态【1 4j 。 由于能源紧缺我国也从七十年代开展了大规模节能装置的研究。据国家第七 批节能产品推广项目介绍，研制出了i d ，d j z ，x s z 等等一大批系列节电器。其 空载节电率大于3 0 左右，轻载( 小于3 0 负载率) 为3 3 4 3 左右。与国外相比， 国内集软起动、节能、保护于一体的电机节能控制器的研制起步较晚，但发展很 快。目前市场上已有天津、上海、西安等多家企业的产品，系列产品达委j 3 2 0 k w 。 但这些产品功能还不完善，性能不稳定，界面不友好，同国外产品比较还有很大 差距。而国外产品价格昂贵，操作复杂，对使用人员要求高，限制了在国内的推 广。在应用上，国内使用智能型电机节能控制器的场所还很少，传统的交流电动 机起动器仍继续占领市场，所以目前研究智能型电机节能控制器这种产品有非常 广阔的市场前景。 因此，有必要自行研制适合我国国情的国产节电器以满足市场对节电产品的 迫切要求。研制中除了借鉴国外产品成功经验外，还要针对其不足和我国电网不 稳，负载波动大，电动机空载率高等具体情况，利用先进的人工智能技术和微处 理技术，开发出具有特色的中国人自己的节电产品来。 1 3 异步电动机节能控制系统的关键技术 在该节能控制系统的设计中，涉及以下关键技术： 1 3 1 功率因数在线检测 准确实现异步电动机功率因数的检测，是实现该节能控制器的关键。在查阅 了大量文献后，现将异步电机功率因数检测的方法归纳如下： ( 1 ) 文献 i s 、1 6 中通过计算定子某相的阻抗角得到功率因数值。 电机的功率因数角妒为相电压u 与相电流，的相位差，它等于电机一相阻抗 z 的阻抗角。当电机参数已知时，阻抗z 可根据下式计算： z r 十j x l 。4 -垒：兰：整型 r 。 j x 。 堕+ j x 乇 s - l z l q ) ( 1 1 ) 可见，当电机参数已知时，异步电机的功率因数角仅与电机的转速有关， 因此在测得电动机的转速后，可用式1 1 计算其功率因数值。 ( 2 ) 文献 1 7 、1 8 】中通过测量定子某相的有功功率及相电压、相电流的值， 计算功率因数值。 取异步电动机的某一相作为研究对象。采用国际电工委员会推荐的规定， 取一6 i 。p + j q g d j u 7 ( 吼一q ) i ) - u t p s ( c o s q ，+ j s i n p ) ；p + j q ( 1 2 ) 式中，s 复功率； s 视在功率： p 有功功率： q 无功功率。 可见，在测得电机某相的电压、电流值后，可用下式计算功率因数值。 a 。c o s 够。三_( 1 3 ) a 。c 0 8 妒。面 。1 3 ( 3 ) 文献【2 3 2 9 】中检测定子某相相电压和相电流的相位差得到功率因数 值。 典型的方法如下：将定子耜电压信号u ，和定子相电流，分别经过过零比 较器，当信号由负至正通过过零点时产生一个脉冲，加到r s 触发器的输入端， 设u ，领先于， 过零比较器1 的输出做开启信号，过零比较器2 的输出做关闭信 号，r s 触发器产生一个脉冲宽度对应于两个信号相位差的矩形脉冲，使与门开 放，时标信号填充时钟脉冲，开始记数前门控信号给脉冲计数器清零，并通过脉 冲计数器计算出对应的脉冲个数。最后，计算器根据脉冲个数取余弦，所得到的 余弦值就是要测量的功率因数。 结合本论文的设计，得出如下结论：方法l 需要检测的量较少( 只需检测转 速) ，但是由于电机的各项参数会随着电机的运行状况等因素发生变化，此时用 该方法计算的功率因数值将不准确。方法2 需要检测的量较多( 包括定子某相相电 压、相电流及输入有功功率) ，电路较复杂，实现成本高，但由此测得的功率因 数值很准确。对于方法3 ，电路不复杂，易实现，并且得到的功率因数值较准确。 根据本文的硬件电路，结合方法3 的思想，我们设计出了一准确、简单、实 用的功率因数检测的电路。 1 3 2 采用模糊控制技术实现调压节能 电机是一个多参数、强耦合性的严重非线性控制对象，所以采用传统的数学 解析式方法进行控制很难达到满意效果。 模糊控制技术是建立在模糊控制理论的基础上的一门新兴的控制技术，是一 种非线性的控制方法，是属于非线性、智能控制范畴的一种计算机控制，就是在 被控对象的模糊模型的基础上，运用控制器近似推理手段，实现控制系统控制的 一种方法。它不依赖精确的数学模型，对参数的变化不敏感，适应性强，具有很 好的鲁棒性。 因此，本文将采用模糊控制技术等人工智能控制技术寻找解决问题的突破口。 1 3 3 采用c p u 进行实时控制 与m c s 一5 1 系列相比，m c s 9 6 系列单片机有以下优点文献 3 0 l ： m c s 一9 6 系列单片机具有更高的操作速度和数据吞吐能力；指令系统效率更 高，执行速度更快；增加了外设事务服务器p t s ，专门用于处理外设中断事务， 极大的减少了c p u 的软件资源；集成了更为丰富的外设装置。如：全双工异步和 同步串行输入输出口，监视定i 封 l l ( w a t c h d o g ) ，模拟数字转换器，高速输入 硕士学位论文 输出器( h s i ，h s o ) ，脉宽调制输出，波形发生器，串行接口，频率发生器等。 m c s 一9 6 系列1 6 位单片机具有丰富的软硬件资源与较高的性能，更适用于一 些比较复杂的系统。所以本装置采用8 7 c 1 9 6 k c 做控制系统的核心控制单元，可 以方便的满足软件的升级需求，以及实际应用中对实时性的要求。 1 4 本文主要研究内容 目前很多调压控制器对电动机的适应能力不强，对负载的适应能力也不强， 有的节能装置动态响应差且不易收敛，不能根据电动机的负载率确定定子电压 的最佳工作点，进而快速、有效、准确的提供电动机定子端电压值，因此这方 面的工作目前还有很大的改进余地。 任何控制系统都存在着快速性、稳定性和准确性之间的矛盾1 3 “。因此，本 论文需要找到一种方法，使系统兼顾快速性、稳定性和准确性，达到较佳工作 点，并保证电动机节能控制装置运行时的收敛性。 本论文研究的目的和研究的主要内容； ( 1 ) 异步电动机满载起动时，起动电流为额定电流的5 到7 倍，而起动转 矩却小于额定转矩。本系统的设计要求将起动电流限制在其额定电流的两倍半 以内，并且起动转矩大于额定转矩的1 2 0 ，由于采用了分级变频软起动的控制 方式，一方面解决了软起动时电机起动转矩较小的问题，另一方面使得电动机 在起动时就处于节能状态。 ( 2 ) 根据不同的负载率确定合适的降压系数是本论文研究的重点。在额定 电压或输入电压一定情况下，负载越大，转差越大，功率因数越高。降压节能 运行时，由于输入电压降低，在一定负载下，其转差率加大，但应该保证其转 差率不能大于额定电压下满载时的转差率，否则不能满足正常工作时转速要求， 而且还不能节能。目前所能找到的公式大多是经验公式和简化公式，降压系数 严重依赖电动机参数。而电动机参数与电动机型号、加工工艺和电动机老化都 有关系，因此采用传统的数学解析式方法很难达到满意效果。因此，本文将采 用模糊控制技术等人工智能控制技术寻找解决问题的突破口，并且要求在负载 率下降时，保证系统在1 s 内将电机的功率因数调节到0 6 以上。 ( 3 ) 采用8 7 c 1 9 6 k c 为核心控制单元完成电动机节能控制系统的设计。 ( 4 ) 研究一种采用检测同步电压信号与晶闸管导通、关断状态的方法获得 电动机功率因数。 ( 5 ) 对本文提出的电机节能模糊控制规则进行仿真研究。 第2 章异步电动机损耗分析及调压节能基本原理 2 1 异步电动机的损耗分析 异步电动机在运行中产生的各种损耗， 规定，将异步电动机损耗划分为恒定损耗、 2 1 1 恒定损耗 根据g b 7 5 5 电机基本技术要求中 负载损耗及杂散损耗1 3 2 1 。 恒定损耗是指异步电动机运行时固有损耗，它与电动机材料、制造工艺、结 构设计、转速等参数有关，而与负载大小无关。恒定损耗包括铁心损耗( 含空载 杂散损耗) 及机械损耗。 ( 1 铁心损耗 铁心损耗p 。( 含空载杂散损耗) 亦称铁耗，指主磁场在电动机铁心中交变所 引起的涡流损耗和磁滞损耗。异步电动机在正常运行时，转差率很小，转子铁心 中磁通变化的频率很小，一般仅为每秒1 3 周，故异步电动机铁耗主要为定子铁 心损耗。 铁耗大小取决于组成电动机的铁心材料性能、频率及磁通密度，近似公式 p 。一可1 3 8 2 ，k 为系数，曰为磁通密度，为转子磁通变化的频率。 空载杂散损耗p 。是指空载电流通过定子绕组的漏磁通在定子机座、端盖等 金属中产生的损耗，一般空载电流近似不变，因此这些损耗也是恒定的。铁耗一 般占异步电动机总损耗的2 0 2 5 。 ( 2 ) 机械损耗 机械损耗p 。通常包括通风系统损耗p ，及轴承摩擦损耗办，绕线式转子还有 电刷摩擦损耗。通风系统的风摩损耗主要为产生冷却电机的气流所需的风扇总功 率。p ，。9 8 1 h v o ck v ，日为风扇有效压力，v 为气体流量，叼为风扇效率。可 町 见，合理的选用冷却风扇所用材料及合理的风道设计等可降低通风系统损耗，具 体的不在本文涉及范围。 轴承摩擦损耗主要与轴承型号，装配水平，润滑脂有关。对于滚动轴承，轴 承摩擦损耗一般形式为：p r - 9 8 1 g v 。p ，g 为轴承承受的负荷，v 。为轴径线速度， a 为摩擦系数。 机械损耗一般占总损耗的1 0 一5 0 ，电动机容量越大，由于通风损耗变大， 在总损耗中比重也增大。 2 1 2 负载损耗 硕士学位论文 负载损耗主要是指电动机运行时，定子、转子绕组通过电流而引起的损耗， 亦称铜耗。p 。一m 1 2 r ，珊为相数，为每相电流，为每相电阻。 铜耗约占总损耗的2 0 7 0 ，电动机容量越大，铜耗占比例越小。 2 1 3 杂散损耗 杂散损耗p 。主要由定子漏磁通和定子、转子的各种高次谐波在导线、铁心及 其他金属部件内所引起的损耗。这些损耗约占总损耗的1 0 。1 5 。 2 2 异步电动机功率关系 当异步电动机以转速n 稳定运行时，输入功率为只： e 一3 u 1 1 1c o s 吼 ( 2 1 ) 式中：u ，定子相电压： ，定子相电流： s 吼定子边功率因数。 定子铜损耗为： p c ，；弘r ( 2 2 ) 式中：足定子相电阻 正常运行情况下的异步电动机，由于转子转速接近于同步转速，气隙旋转磁 场与转子铁心的相对转速很小，故磁滞损耗小。转子铁心和定予铁心同样是用 o 5 m m j 享的硅钢片( 大、中型异步电动机还涂漆) 叠压而成，故涡流损耗也不大。 因此转子铁损耗很小，所以电动机的铁损耗主要为定子铁损耗，即： p r - p r l - 3 ，：r 。( 2 3 ) 式中：p 。一一电动机铁损； p r t 一定子铁损； ，一一励磁电流； r 。一一励磁电阻。 进行频率规算和绕组规算后，得到异步电动机的t 型等效i 电路1 3 3 ，如图2 1 所 示： 图2 1 交流异步电动机t 型等效电路图 从等效电路可见，异步电动机从电源输入的电功率只，其中一小部分将消耗 于定子绕组的电阻而变成铜耗p 。，一小部分将消耗于定子铁心变为铁耗p 。，余 下的大部分功率将借助于气隙旋转磁场的作用，从定予通过气隙传送到转子，这 部分功率称为电磁功率，用表示。 写成方程有： 一只- p “1 一p r ( 2 4 ) 电磁功率也可表示为： 只。m ，e ，：c o s 妒：；m ，疋z 丝 ( 2 5 ) j y ， 其中，c 。s 妒：为转子的内功率因数，妒：2 a r e r a n 龛嚣。妒：。 转子铜损耗p 。为： p 。2 ，3 i ：2 r ； ( 2 6 ) 如前所述，转子铁耗一般可略去不计，因此，从传到转子的电磁功率只中扣 除转子铜p 。：后，可得转换为机械能的总机械功率( 即转换功率) 晶，即： 岛。只一p 。2 。m 。j ：z 兰! r ： ( 2 7 ) 5 用电磁功率表示时，上式亦可改写成， p 0 2 一啦圪- ( 1 一s ) 只 ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 说明：传送到转子的电磁功率只中，s 部分变为转子铜耗，( 1 一s ) 部 分转换为机械功率。由于转子铜耗等于皿，所以它亦称为转差功率。 从p o 中再扣除转子的机械损耗p 。和杂散损耗p 。，可得转子轴上输出的机械 功率忍，即： 最一f k 一( p q + p a ) ( 2 9 ) 异步电动机功率流程图如图2 2 所示。 图2 2 异步电动机功率流程图 从以上功率关系定量分析中看出，异步电动机运行时电磁功率、 损耗和机械功率三者之间的定量关系是： 只：p 。2 ：圪一1 ：s ：( 1 一s ) 转予回路铜 ( 2 1 0 ) 硕士学位论文 式2 1 0 说明，若电磁功率一定，转差率s 越小，转子回路铜损耗越小，机械功 率越大。 2 3 异步电动机输入电压、电流之间的关系 当异步电动机以某一转速n ，( 给定频率为丘) 拖动某一负载t 时，定子电 压u ，的大小对定子电流1 1 的影响，即，。- f ( u 。) 。 首先假定： ( 1 ) 异步电动机的给定频率疋不变； ( 2 ) 负载转矩瓦不变。 2 3 1 恒定的充要条件 - g m 。1 2 c o s 妒2 ( 2 1 1 ) 式中，g 转矩常数，且g 一去p m ：n ：七。：。 上式说明，电磁转矩与气隙主磁通中。和转子电流有功分量1 2 c o s 妒：成正比。 如忽略c o s 0 2 的微小变化不计，则保持c c o n s t 的充分和必要条件是： 中m ，2 。d 脚 ( 2 1 2 ) m 。由励磁电流i 。产生，可以粗略的认为，只要m 。小于铁心饱和点时的磁通 中。，m 。的增大或减小，将同时引起，。和i ：的变化，从而也必将影响i t 的大小。 2 3 2 磁通西。与电流。厶和i l 的关系分析 ( 1 ) 中。对，2 的影响 设口。为磁通变化系数，则有： 中。一8 t 中m ( 2 1 3 ) 磁通的变化量m 。为： 中。口，中“一垂“一中“0 。一1 )( 2 1 4 ) 由式2 1 2 推得，这时，为： ，2 一警 ( 2 1 5 ) “d 式中；j 2 。是垂。一m 。时转子电流。 转子电流j ：得变化量a ，为： 峥等- i ：= 1 2 a 等 ( 2 ) t l , 。对l 的影响 一般认为，垂。是和i 。成正比的，所以l n 。 变化量： ，。一，o ( 口。一1 ) ( 2 1 7 ) 式中：，。是中。一心。时励磁电流。 当铁心饱和后，当中，增加垂，时，的变化量缸。将是很大的。 ( 3 ) m 。对j 1 的影响 中，减小( 垂。 “) ，这时，口( 1 ，铁心没有饱和。由式2 1 4 、式2 1 6 和式2 1 7 知a ，：的增大比例比的垂。和虬减小比例大。 此外，j 。通常只有定子额定电流i 。的1 0 一2 0 左右，比f ：小得多，所以 a 2 ) ) i a ，o i ( 2 1 8 ) 由式i 。- 一1 2 + ，j ，将增力。 中。增大( 中。 中。) 这时，口) 1 铁心饱和。一方面，由式2 1 4 和式2 1 6 n - j 9 4 1 ，这 时，a ：的减小l p , 侈! j 比的垂。增大比例小。另一方面，虬将增加很多，当m ，较 大时，有： i a 2 l ( ( ，。 ( 2 1 9 ) 由式i ，- 一i ：+ j ，1 也将增加。 ( 4 ) i 。一，p ，) 以上的分析表明，电动机在运行过程中，如能保持垂，一中。一c o r l s t ，则所 需的最小。由式中。q 匕彳知，在一定频率下，中。的大小取决于c ，。所以， 得到的，一u ，曲线如图2 - 3 所示。 由图2 3 可知存在着使电动机的定子电流，1 为最小的最佳工作点。在这一点 上，电动机的损耗也最小，故最节能。事实上，该最佳工作点就是与m 。西。对 应的工作点。该论文的主要工作之一就是找出此运行点，使电动机工作于损耗最 小最节能的状况。 如负载的大小发生变化，最佳工作点的位置也将发生变化。如图2 3 中所示a 、 b 、c 点即为不同负载时的最佳工作点， 且有，以( 岛( & 。 图2 3 不同负载时的最佳工作点 2 4 异步电动机的降压节能分析 2 4 1 异步电动机负载特性分析 硕士学位论文 根据异步电动机所驱动负载的工作特性，可以将负载分为两类：恒转矩负载 和变转矩负载【3 钔。恒转矩负载是指负载对电动机的阻转矩l 相对于电动机转速n 近似为常数。例如切削机床、传送机、吊车等。变转矩负载是指负载对电动机的 阻转矩l 相对于电动机转速h 有较大变化。例如风机，水泵等。 对于这类负载其阻转矩l 可用下式表示： 疋一o 1 巩+ 0 8 5 ( 1 - s ) 2 ( 2 2 0 ) 式中：n 负载的额定